Inovação, popularização e aplicação da tecnologia de produção de energia de hidrogênio: um estudo de caso da Ally Hi-Tech.
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Nota do editor: Este artigo foi originalmente publicado pela conta oficial do WeChat: China Thinktank.
Em 23 de março, a Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma e a Administração Nacional de Energia da China divulgaram conjuntamente o Plano de Médio e Longo Prazo para o Desenvolvimento da Indústria de Energia de Hidrogênio (2021-2035) (doravante denominado Plano), que definiu o atributo energético do hidrogênio e propôs que a energia de hidrogênio seja parte integrante do futuro sistema energético nacional e a principal direção das novas indústrias estratégicas. Os veículos movidos a células de combustível representam o principal campo de aplicação da energia de hidrogênio e o avanço do desenvolvimento industrial na China.
Em 2021, impulsionadas pela política nacional de demonstração e aplicação de veículos movidos a células de combustível, as cinco aglomerações urbanas de Pequim, Tianjin, Hebei, Xangai, Guangdong, Hebei e Henan foram sucessivamente lançadas, iniciando a demonstração e aplicação em larga escala de 10.000 veículos movidos a células de combustível, e o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio, impulsionado pela demonstração e aplicação de veículos movidos a células de combustível, foi colocado em prática.
Ao mesmo tempo, avanços significativos também foram alcançados na aplicação e exploração da energia do hidrogênio em setores não relacionados ao transporte, como siderurgia, indústria química e construção civil. No futuro, a diversificação e a ampla gama de aplicações da energia do hidrogênio gerarão uma grande demanda por esse recurso. De acordo com as previsões da Aliança Chinesa de Energia do Hidrogênio, até 2030, a demanda chinesa por hidrogênio atingirá 35 milhões de toneladas, e a energia do hidrogênio representará pelo menos 5% do sistema energético final da China; até 2050, a demanda por hidrogênio estará próxima de 60 milhões de toneladas, a energia do hidrogênio representará mais de 10% do sistema energético final da China e o valor da produção anual da cadeia industrial atingirá 12 trilhões de yuans.
Do ponto de vista do desenvolvimento industrial, a indústria de energia de hidrogênio da China ainda está em estágio inicial. No processo de aplicação, demonstração e promoção da energia de hidrogênio, a oferta insuficiente e o alto custo do hidrogênio para geração de energia sempre representaram um grande obstáculo para o desenvolvimento da indústria chinesa. Como elo fundamental no fornecimento de hidrogênio, os problemas do alto preço de fábrica e dos elevados custos de armazenamento e transporte do hidrogênio para veículos ainda são evidentes.
Portanto, a China precisa urgentemente acelerar a inovação, a popularização e a aplicação da tecnologia de produção de hidrogênio de baixo custo, melhorar a viabilidade econômica da aplicação demonstrativa reduzindo o custo do fornecimento de energia de hidrogênio, apoiar a aplicação demonstrativa em larga escala de veículos com células de combustível e, assim, impulsionar o desenvolvimento de toda a indústria de energia de hidrogênio.
O alto preço do hidrogênio é um problema importante no desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio na China.
A China é um grande produtor de hidrogênio. A produção de hidrogênio está distribuída entre as indústrias petroquímica, química, de coqueificação e outras. A maior parte do hidrogênio produzido é utilizada como produto intermediário no refino de petróleo, na síntese de amônia, metanol e outros produtos químicos. De acordo com as estatísticas da Aliança Chinesa de Energia de Hidrogênio, a produção atual de hidrogênio na China é de cerca de 33 milhões de toneladas, provenientes principalmente de carvão, gás natural e outras fontes de energia fóssil, além da purificação de gases residuais industriais. Desse total, a produção de hidrogênio a partir do carvão é de 21,34 milhões de toneladas, representando 63,5%. Em seguida, vêm o hidrogênio proveniente de subprodutos industriais e o hidrogênio a partir do gás natural, com produção de 7,08 milhões de toneladas e 4,6 milhões de toneladas, respectivamente. A produção de hidrogênio por eletrólise da água é relativamente pequena, em torno de 500.000 toneladas.
Embora o processo de produção industrial de hidrogênio seja maduro, a cadeia produtiva esteja completa e a aquisição seja relativamente fácil, o fornecimento de hidrogênio energético ainda enfrenta grandes desafios. O alto custo da matéria-prima e do transporte na produção de hidrogênio resulta em um preço final mais elevado para o hidrogênio. Para alcançar a popularização e a aplicação em larga escala da tecnologia de energia de hidrogênio, é fundamental superar o gargalo do alto custo de aquisição e transporte do hidrogênio. Dentre os métodos de produção de hidrogênio existentes, o custo da produção de hidrogênio a partir do carvão é baixo, mas o nível de emissão de carbono é alto. O custo do consumo de energia na produção de hidrogênio por eletrólise da água em grandes indústrias é elevado.
Mesmo com baixo consumo de eletricidade, o custo de produção de hidrogênio é superior a 20 yuans/kg. O baixo custo e o baixo nível de emissão de carbono da produção de hidrogênio a partir do abandono de fontes de energia renováveis representam uma importante direção para a obtenção de hidrogênio no futuro. Atualmente, a tecnologia está gradualmente amadurecendo, mas os locais de aquisição são relativamente remotos, o custo de transporte é muito alto e não há um cenário de promoção e aplicação consolidado. Do ponto de vista da composição do custo do hidrogênio, de 30% a 45% do preço do hidrogênio energético corresponde ao custo de transporte e abastecimento. A tecnologia de transporte de hidrogênio existente, baseada em hidrogênio gasoso de alta pressão, apresenta baixa capacidade de transporte por veículo, baixo valor econômico para transporte de longa distância, e as tecnologias de armazenamento e transporte em estado sólido e hidrogênio líquido ainda não estão maduras. A terceirização do fornecimento de hidrogênio gasoso para postos de abastecimento ainda é a principal forma de transporte.
Na especificação de gestão atual, o hidrogênio ainda é classificado como substância química perigosa. A produção industrial de hidrogênio em larga escala exige a instalação em parques industriais químicos. A produção em larga escala não atende à demanda por hidrogênio para veículos autônomos, resultando em preços elevados. Uma tecnologia altamente integrada de produção e abastecimento de hidrogênio é urgentemente necessária para alcançar um avanço significativo. O preço da produção de hidrogênio a partir de gás natural é razoável, o que permite um fornecimento estável e em larga escala. Portanto, em áreas com abundância relativa de gás natural, a produção integrada de hidrogênio e os postos de abastecimento baseados em gás natural representam uma opção viável e um caminho realista para promover o abastecimento de hidrogênio, reduzindo custos e solucionando o problema do abastecimento em algumas regiões. Atualmente, existem cerca de 237 postos de produção de hidrogênio integrados montados em skid no mundo, representando aproximadamente um terço do total de postos de abastecimento de hidrogênio estrangeiros. Japão, Europa, América do Norte e outras regiões adotam amplamente o modelo de operação de produção integrada de hidrogênio e postos de abastecimento. Em termos de conjuntura nacional, Foshan, Weifang, Datong, Zhangjiakou e outras localidades começaram a explorar a construção e operação piloto de postos integrados de produção e abastecimento de hidrogênio. Pode-se prever que, após o avanço das políticas e regulamentações de gestão e produção de hidrogênio, o posto integrado de produção e abastecimento de hidrogênio se tornará a opção viável para a operação comercial de postos de abastecimento de hidrogênio.
Experiência em Inovação, Popularização e Aplicação da Tecnologia de Produção de Hidrogênio da Ally Hi-Tech
Como empresa líder na área de produção de hidrogênio na China, a Ally Hi-Tech tem se dedicado à pesquisa e ao desenvolvimento de novas soluções energéticas e tecnologias avançadas de produção de hidrogênio desde sua fundação, há mais de 20 anos. Nas áreas de tecnologia de produção de hidrogênio a partir de gás natural em pequena escala, tecnologia de produção de hidrogênio por oxidação catalítica de metanol, tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise da água em alta temperatura, tecnologia de produção de hidrogênio por decomposição de amônia, tecnologia de síntese de amônia em pequena escala, conversor de metanol monomérico em grande escala, sistema integrado de produção e hidrogenação de hidrogênio, e tecnologia de purificação direcionada de hidrogênio para veículos, foram alcançados diversos avanços em campos técnicos de ponta, como os listados acima.
Continuar a promover a inovação tecnológica na produção de hidrogênio.
A Ally Hi-Tech sempre teve a produção de hidrogênio como foco principal de seus negócios e continua a inovar tecnologicamente na produção de hidrogênio, como a conversão de metanol, a reforma de gás natural e a purificação direcional de hidrogênio por PSA. Entre essas inovações, destaca-se um conjunto de equipamentos para produção de hidrogênio por conversão de metanol, desenvolvido e projetado pela própria empresa, com capacidade de produção de 20.000 Nm³/h. A pressão máxima atinge 3,3 MPa, alcançando o nível avançado internacional, com vantagens como baixo consumo de energia, segurança e confiabilidade, processo simples e operação autônoma. A empresa também alcançou um avanço significativo na tecnologia de produção de hidrogênio por reforma de gás natural (método SMR).
A tecnologia de reforma por troca de calor é adotada, e a capacidade de produção de hidrogênio de um único conjunto de equipamentos chega a 30.000 Nm³/h. A pressão máxima pode atingir 3,0 MPa, o custo de investimento é significativamente reduzido e o consumo de energia do gás natural é reduzido em 33%. Em termos de tecnologia de purificação direcional de hidrogênio por adsorção por oscilação de pressão (PSA), a empresa desenvolveu diversos conjuntos completos de tecnologias de purificação de hidrogênio, e a capacidade de produção de hidrogênio de um único conjunto de equipamentos é de 100.000 Nm³/h. A pressão máxima é de 5,0 MPa. Possui características como alto grau de automação, operação simples, respeito ao meio ambiente e longa vida útil. Tem sido amplamente utilizado na área de separação de gases industriais.
Figura 1: Conjunto de equipamentos de produção H2 da Ally Hi-Tech
Atenção dedicada ao desenvolvimento e à promoção de produtos da série de energia de hidrogênio.
Ao mesmo tempo que inova em tecnologia de produção de hidrogênio e desenvolve produtos, a Ally Hi-Tech concentra-se na expansão do desenvolvimento de produtos na área de células a combustível de hidrogênio, promovendo ativamente a pesquisa e o desenvolvimento e a aplicação de catalisadores, adsorventes, válvulas de controle, equipamentos modulares de pequena escala para produção de hidrogênio e sistemas de alimentação de células a combustível de longa duração. Além disso, impulsiona vigorosamente a tecnologia e os equipamentos para estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio. Em termos de promoção de produtos, a qualificação profissional do projeto de engenharia da Ally Hi-Tech é abrangente. A empresa está comprometida em fornecer soluções completas em energia de hidrogênio, com produtos e serviços, e a aplicação de seus produtos no mercado é promovida rapidamente.
Foram feitos avanços significativos na aplicação de equipamentos para produção de hidrogênio.
Atualmente, a Ally Hi-Tech construiu mais de 620 conjuntos de equipamentos para produção e purificação de hidrogênio. Dentre eles, a Ally Hi-Tech promoveu mais de 300 conjuntos de equipamentos para produção de hidrogênio a partir de metanol, mais de 100 conjuntos de equipamentos para produção de hidrogênio a partir de gás natural e mais de 130 conjuntos de equipamentos para grandes projetos de usinas termelétricas a gás (PSA), além de ter executado diversos projetos de produção de hidrogênio de âmbito nacional.
A Ally Hi-Tech tem cooperado com empresas renomadas no mercado nacional e internacional, como Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. (EUA), Air Liquide (França), Linde (Alemanha), Praxair (EUA), Iwatani (Japão), BP, entre outras. É uma das maiores fornecedoras de equipamentos para produção de hidrogênio de pequeno e médio porte do mundo, oferecendo conjuntos completos de serviços. Atualmente, os equipamentos de produção de hidrogênio da Ally Hi-Tech já foram exportados para 16 países e regiões, incluindo Estados Unidos, Japão, Coreia do Sul, Índia, Malásia, Filipinas, Paquistão, Mianmar, Tailândia e África do Sul. Em 2019, a terceira geração de equipamentos integrados para produção de hidrogênio a partir de gás natural da Ally Hi-Tech foi exportada para a Plug Power Inc. (EUA), projetada e fabricada em total conformidade com os padrões americanos, abrindo um precedente para a exportação de equipamentos chineses para produção de hidrogênio a partir de gás natural para os Estados Unidos.
Figura 2. Equipamentos integrados de produção e hidrogenação de hidrogênio exportados pela Ally Hi-Tech para os Estados Unidos.
Construção do primeiro lote de estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio.
Considerando os problemas práticos relacionados à instabilidade das fontes de energia e aos altos preços do hidrogênio, a Ally High-Tech está empenhada em promover a aplicação de tecnologia de produção de hidrogênio altamente integrada. Utilizando o sistema consolidado de fornecimento de metanol, a rede de gasodutos e os postos de abastecimento de GNV e GNL já existentes, a Ally High-Tech irá reconstruir e expandir a estação integrada de produção e abastecimento de hidrogênio. Em setembro de 2021, a primeira estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio a partir de gás natural no país, sob contrato geral da Ally High-Tech, entrou em operação na estação de hidrogenação de gás Nanzhuang, em Foshan.
A estação foi projetada com uma unidade de produção de hidrogênio por reforma de gás natural de 1000 kg/dia e uma unidade de produção de hidrogênio por eletrólise da água de 100 kg/dia, com uma capacidade externa de hidrogenação de 1000 kg/dia. Trata-se de uma típica estação de hidrogenação integrada "produção + compressão + armazenamento + envase de hidrogênio". Ela é pioneira na aplicação de um catalisador de ampla faixa de temperatura ecologicamente correto e tecnologia de co-purificação direcional, o que melhora a eficiência da produção de hidrogênio em 3% e reduz efetivamente o consumo de energia. A estação possui alta integração, área construída reduzida e equipamentos de produção de hidrogênio altamente integrados.
A produção de hidrogênio na estação reduz as rotas de transporte e os custos de armazenamento e transporte, diminuindo diretamente o custo de consumo. A estação possui uma interface externa que permite o abastecimento de caminhões-tanque e serve como estação matriz, fornecendo hidrogênio para outras estações de hidrogenação da região e formando uma subestação integrada regional. Além disso, essa estação integrada de produção e hidrogenação pode ser adaptada e expandida com base na infraestrutura existente, como postos de gasolina e postos de abastecimento de GNV e GNL, facilitando sua implementação e expansão.
Figura 3. Estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio em Nanzhuang, Foshan, Guangdong.
Lidera ativamente a inovação, a promoção e a aplicação na indústria, bem como os intercâmbios e a cooperação internacional.
Como uma empresa de alta tecnologia chave do Programa Nacional Tocha, uma empresa de demonstração da nova economia na província de Sichuan e uma nova empresa especializada e especial na província de Sichuan, a Ally Hi-Tech lidera ativamente a inovação do setor e promove intercâmbios e cooperação internacionais. Desde 2005, a Ally Hi-Tech tem fornecido sucessivamente tecnologia e equipamentos de produção de hidrogênio para os principais projetos nacionais de células a combustível 863 – o posto de abastecimento de hidrogênio de Anting, em Xangai, o posto de abastecimento de hidrogênio das Olimpíadas de Pequim e o posto de abastecimento de hidrogênio da Expo Mundial de Xangai – e forneceu todos os projetos de estações de produção de hidrogênio do centro de lançamento espacial da China com altos padrões de qualidade.
Como membro do Comitê Nacional de Padronização da Energia de Hidrogênio, a Ally Hi-Tech participou ativamente da construção do sistema de padrões de energia de hidrogênio no país e no exterior, liderou a elaboração de um padrão nacional de energia de hidrogênio e participou da formulação de sete padrões nacionais e um padrão internacional. Ao mesmo tempo, a Ally Hi-Tech promoveu ativamente intercâmbios e cooperação internacionais, estabeleceu a Chengchuan Technology Co., Ltd. no Japão, desenvolveu uma nova geração de tecnologia de produção de hidrogênio, tecnologia de cogeração SOFC e produtos relacionados, e realizou cooperação com empresas nos Estados Unidos, Alemanha e Japão nas áreas de nova tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise da água e tecnologia de amônia sintética em pequena escala. Com 45 patentes da China, Estados Unidos e União Europeia, a Ally Hi-Tech é uma empresa típica, baseada em tecnologia e orientada para a exportação.
Sugestão de política
De acordo com a análise acima, com base na inovação da tecnologia de produção de hidrogênio, a Ally Hi-Tech alcançou avanços significativos no desenvolvimento de equipamentos para produção de hidrogênio, na promoção e aplicação desses equipamentos, na construção e operação de postos integrados de produção e abastecimento de hidrogênio. Isso é de grande importância para a inovação tecnológica independente da China em energia de hidrogênio e para a redução do custo do consumo de hidrogênio. Para garantir e melhorar o fornecimento de energia de hidrogênio, acelerar a construção de uma rede de fornecimento de energia de hidrogênio segura, estável e eficiente e construir um sistema de produção de hidrogênio diversificado, limpo, de baixo carbono e de baixo custo, a China precisa fortalecer a inovação tecnológica e o desenvolvimento de produtos para a produção de hidrogênio, superar as restrições de políticas e regulamentações e incentivar a experimentação prioritária de novos equipamentos e modelos com potencial de mercado. Ao aprimorar ainda mais as políticas de apoio e otimizar o ambiente industrial, contribuiremos para o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio da China com alta qualidade e apoiaremos fortemente a transformação verde da energia.
Aprimorar o sistema de políticas da indústria de energia de hidrogênio.
Atualmente, as "políticas de posicionamento estratégico e apoio à indústria de energia de hidrogênio" já foram publicadas, mas a direção específica de desenvolvimento desse setor ainda não foi definida. Para superar os obstáculos institucionais e os entraves políticos ao desenvolvimento industrial, a China precisa fortalecer a inovação em políticas públicas, formular normas de gestão de energia de hidrogênio mais eficazes, esclarecer os processos e as instituições responsáveis pela preparação, armazenamento, transporte e abastecimento, e implementar as atribuições do departamento de supervisão de segurança. É necessário adotar o modelo de aplicação demonstrativa para impulsionar o desenvolvimento industrial e promover de forma abrangente o desenvolvimento diversificado da energia de hidrogênio em aplicações demonstrativas como transporte, armazenamento de energia, geração distribuída, entre outras.
Construir um sistema de fornecimento de energia de hidrogênio de acordo com as condições locais.
Os governos locais devem considerar de forma abrangente a capacidade de fornecimento de energia de hidrogênio, a base industrial e o espaço de mercado na região, com base nas vantagens dos recursos existentes e potenciais, selecionar métodos de produção de hidrogênio adequados às condições locais, implementar a capacidade de garantia de fornecimento de energia de hidrogênio, priorizar o uso de hidrogênio como subproduto industrial e concentrar-se no desenvolvimento da produção de hidrogênio a partir de energias renováveis. É fundamental incentivar as regiões qualificadas a cooperarem por meio de múltiplos canais para construir um sistema local de fornecimento de energia de hidrogênio de baixo carbono, seguro, estável e econômico, capaz de atender à demanda de fontes de hidrogênio em larga escala.
Aumentar a inovação tecnológica dos equipamentos de produção de hidrogênio.
Focar na promoção da P&D, fabricação e aplicação industrial de equipamentos-chave para purificação e produção de hidrogênio, e construir um sistema de desenvolvimento tecnológico de alta qualidade para produtos de equipamentos de energia de hidrogênio, contando com empresas de destaque na cadeia produtiva. Apoiar empresas líderes no setor de produção de hidrogênio para que assumam a liderança, estabelecer plataformas de inovação como centros de inovação industrial, centros de pesquisa em engenharia, centros de inovação tecnológica e centros de inovação em manufatura, abordar os principais problemas dos equipamentos de produção de hidrogênio, apoiar pequenas e médias empresas "especializadas e inovadoras" para participar da pesquisa e desenvolvimento de tecnologias comuns para equipamentos de produção de hidrogênio e cultivar um número de empresas campeãs com forte capacidade independente em tecnologia essencial.
Reforçar o apoio político às estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio.
O Plano destaca que, para explorar novos modelos, como postos de abastecimento de hidrogênio que integram produção, armazenamento e hidrogenação, é necessário superar as restrições políticas à construção de postos integrados desde a sua origem. É preciso introduzir, o mais breve possível, uma lei nacional de energia que determine o atributo energético do hidrogênio em um nível estratégico. É necessário eliminar as restrições à construção de postos integrados, promover postos integrados de produção e hidrogenação de hidrogênio e realizar demonstrações piloto da construção e operação de postos integrados em áreas economicamente desenvolvidas com abundantes recursos de gás natural. É preciso fornecer subsídios financeiros para a construção e operação de postos integrados que atendam aos requisitos de economia de preços e padrões de emissão de carbono, apoiar empresas líderes relevantes para que se candidatem ao status de "empresas especializadas e especiais" em nível nacional e aprimorar as especificações e padrões técnicos de segurança dos postos integrados de produção e hidrogenação de hidrogênio.
Realizar ativamente demonstrações e promoções de novos modelos de negócio.
Incentivar a inovação em modelos de negócios na forma de produção integrada de hidrogênio em postos de abastecimento, postos de fornecimento de energia abrangentes para petróleo, hidrogênio e eletricidade, e operação coordenada de "hidrogênio, veículos e postos". Em áreas com grande número de veículos com células a combustível e alta demanda por hidrogênio, exploraremos postos integrados para produção e hidrogenação de hidrogênio a partir de gás natural, e incentivaremos áreas com preços razoáveis de gás natural e a operação demonstrativa de veículos com células a combustível. Em áreas com abundantes recursos eólicos e hidrelétricos e cenários de aplicação de energia de hidrogênio, construiremos postos integrados de produção e hidrogenação de hidrogênio com energia renovável, expandindo gradualmente a escala de demonstração, formando experiências replicáveis e difundidas, e acelerando a redução de carbono e custos da energia de hidrogênio.
(Autor: Equipe de pesquisa da indústria futura do Centro de Consultoria de Informação Yiwei Zhiyuan de Pequim)
Data da publicação: 29/09/2022
